Занятие 5 (дополнительно)

С огласование сигналов

На этом занятии вы познакомитесь с тем, как согласовать сигналы в системе сбора данных для наиболее точного измерения разнообразных физических явлений. Здесь также приведено описание методов согласования, улучшающих качество сигнала.

Задачи:

A. Введение в согласование сигналов

B. Конфигурация системы согласования сигналов

C. Основные функции согласования

D. Согласование сигналов с датчиков

А. Введение в согласование сигналов

Типичная автоматизированная измерительная система включает в себя измеряемое физическое явление, датчик (измерительный преобразователь), систему согласования сигнала, устройство сбора данных и компьютер. Источником сигнала чаще всего является датчик, измеряющий физическое явление. Различные типы и модели датчиков выдают сигналы, уровни которых меняются в широких пределах. Сигнал с датчика чаще всего подается на устройство согласования. Подключение осуществляется по двум или более соединительным проводам, длина которых простирается от единиц сантиметров до километров, и которые в реальных системах часто подвержены наводкам от высоковольтных источников и иным электромагнитным помехам. В большинстве случаев качество сигнала определяется качеством подключения вблизи источника.

Практически у всех реальных датчиков и измерительных преобразователей выходной сигнал нуждается в предварительной обработке для того, чтобы устройство сбора данных (УСД) могло точно и надежно его измерить и ввести в компьютер. Такая предварительная обработка, чаще именуемая согласованием сигнала, может включать функции усиления, фильтрации, электрическую изоляцию, мультиплексирование. Системы согласования сигнала либо встраивают непосредственно в устройство сбора данных, либо размещают в отдельных устройствах, таких как Signal Conditioning eXtensions for Instrumentation (SCXI) или Signal Conditioning Components (SCC). Задачей всех таких устройств является приведение входного сигнала к уровню и виду, оптимальному для измерения при помощи аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Устройство сбора данных чаще всего представляет собой модуль (плату), встраиваемую в компьютер, например, семейство DAQ компании National Instruments. УСД обладает всеми необходимыми функциями для точного и надежного ввода предварительно согласованных сигналов в компьютер, который затем позволяет анализировать, сохранять и отображать результаты.

B. Конфигурация системы согласования сигналов

SCXI – завершенная архитектура согласования сигналов, обеспечивающая многофункциональную высокопроизводительную обработку сигнала разнообразных датчиков. На рисунке приведена типовая измерительная система с согласованием сигналов.

Датчики напрямую подсоединяются к Терминальным Узлам (terminal block). Инструментальное шасси (SCXI Chassis) служит для размещения модулей SCXI, обеспечения их электропитания и управления ими через специальную служебную шину SCXIbus. Шасси SCXI, в свою очередь, подключается к встроенному в компьютер устройству сбора данных, которое управляет работой всего шасси.

Следующий рисунок иллюстрирует архитектуру системы согласования сигналов SCXI.

Датчики подсоединяются к терминальным узлам, которые подключаются к лицевым панелям модулей SCXI, размещенных в инструментальном шасси. Каждый модуль SCXI использует мультиплексор для передачи согласованного сигнала на шину SCXIbus. УСД задает алгоритм управления всего шасси.

Аналоговые SCXI-модули могут работать в параллельном или мультиплексном режиме. В параллельном режиме модули не используют мультиплексирование сигналов, а просто передают согласованные сигналы напрямую на соответствующие входные каналы УСД. Таким образом, каждый модуль соединяется прямым кабелем со своим индивидуальным УСД и каждое УСД в компьютере может принимать сигналы только от одного SCXI модуля. При работе в параллельном режиме производительность («скорость») сбора данных определяется исключительно возможностями УСД, а не SCXI системы.

На практике большинство SCXI систем работает в мультиплексном режиме. Мультиплексирование (или сигнальная коммутация) позволяет направлять сотни согласованных сигналов на одно УСД. В мультиплексном режиме сигнальный кабель от одного УСД подключается к одному из модулей в шасси SCXI. Часть цифровых линий ввода/вывода УСД будет задействована для управления модулями и шасси в целом, а именно – три или четыре линии цифрового вывода и линия EXTSTROBE для контроля SCXI системы. Дополнительно, линии цифрового ввода будут использованы для считывания информации с модулей SCXI.

При работе с SCXI модулями аналогового ввода, вы можете проводить измерения сигналов, выполняя одноканальное считывание либо многоканальный опрос с аппаратным тактированием.

Во время считываний из одного канала УСД периодически записывает набор цифровых сигналов (digital pattern) в нулевой слот (SCXI Slot 0), расположенный в шасси SCXI, указывая, к какому SCXI модулю происходит обращение. Затем УСД записывает набор цифровых сигналов в модуль, указывая, из какого входного канала происходит считывание, и который настраивает модуль на передачу полезного сигнала через аналоговую шину (analog bus) шасси SCXI. В результате, сигнал перенаправляется в канал аналогового ввода УСД. Затем УСД производит считывание из канала 0. Этот алгоритм изображен на следующем рисунке. Когда вы вызываете какие-либо функции одноканального аналогового ввода, то все вышеуказанные низкоуровневые операции цифрового взаимодействия и перенаправления сигнала выполняет инструментальный драйвер NI-DAQ.

При многоканальном опросе УСД программирует нулевой слот SCXI, задавая список модулей и число опрашиваемых каналов для каждого модуля. Для каждого модуля также указывается канал, с которого начинается опрос. После этого УСД или модуль начинают многоканальный опрос. Сигнал SCANCLK, генерируемый УСД, синхронизирует мультиплексирование SCXI с внутренним тактовым генератором, запускающим аналого-цифровые преобразования в УСД. SCXI Slot 0 включает либо отключает модули в соответствии с предварительно запрограммированным списком. Таким образом, система мультиплексирует каналы нескольких модулей, подключая их к каналу аналогового ввода УСД с очень большой частотой. Драйвер NI-DAQ содержит высокоуровневые функции, выполняющие операции многоканального опроса.

Для настройки SCXI системы выполните следующие действия.

1. Убедитесь, что к нужному модулю присоединен нужный набор кабелей и соответствующий адаптер.

2. Присоедините модуль к УСД.

3. Убедитесь, что к выбранному модулю присоединен правильный терминальный узел.

4. Включите шасси SCXI.

Предупреждение. Модули SCXI нельзя переставлять при включенном шасси. Убедитесь, что шасси обесточено перед удалением или добавлением модулей, терминальных узлов или кабелей.

Упражнение 5-1. Настройка SCXI с использованием проводника по средствам измерений и автоматизации

Задача: Использовать MAX для настройки подсистемы согласования сигналов для компьютерной системы сбора данных.

Предупреждение. Модули SCXI нельзя переставлять при включенном шасси. Убедитесь, что шасси обесточено перед удалением или добавлением модулей, терминальных узлов или кабелей.

1. Выключите шасси SCXI.

2. Проверьте 4-слотовое шасси SCXI-1000, модули и терминальные узлы. Шасси должно содержать модули, начиная с первого слота (крайний левый) до четвертого (крайний правый). Следующие список включает модули, которые вы будете использовать в более поздних упражнениях.

• Слот 1—SCXI-1520 8-канальный универсальный терминальный узел для тензодатчиков

• Слот 2—SCXI-1180 панель сквозного соединения

SCXI-1180 позволяет получить доступ к неиспользуемым каналам УСД с лицевой панели шасси SCXI.

– SCXI-1302 терминальный узел общего назначения

• Слот 3—SCXI-1125 8-канальный изолированный усилитель

– SCXI-1327 терминальный модуль

• Слот 4—SCXI-1141 8-канальный эллиптический фильтр нижних частот

– SCXI-1304 терминальный узел (signal ground referencing)

3. Взгляните на заднюю панель шасси SCXI-1000. Модель в первом слоте должен иметь вставленный кабельный адаптер SCXI-1349 для УСД Е-серии. Обратите внимание, что SCXI-1349 содержит 68-контактый кабельный разъём в задней части и 50-контактный разъем сбоку. 68-контактный задний разъем предназначен для присоединения кабеля, идущего от УСД в компьютере. А 50-контактный разъем служит для доступа к неиспользуемым каналам УСД.

4. SCXI-1180 (слот 2) – это не модуль, а панель сквозного соединения, которая содержит кабель, соединяющий боковой разъем адаптера SCXI-1349, и которая позволяет получить доступ к неиспользуемым каналам УСД с лицевой панели инструментального шасси.

5. Присоедините УСД к инструментальному шасси, и вы получите доступ к неиспользуемым каналам УСД.

a. Возьмите кабель, идущий от УСД в компьютере, и отсоедините его от испытательной коробки.

b. Убедитесь, что адаптер SCXI-1349 присоединен к тыльной стороне SCXI-1520 в слоте 1 инструментального шасси.

c. Вставьте DAQ кабель в 68-контактный задний разъем SCXI-1349.

6. Включите инструментальное шасси.

7. Запустите MAX двойным нажатием кнопки мыши на иконке на рабочем столе. Щелкните правой кнопкой мыши на разделе Devices and Interfaces и выберите Create New из контекстного меню.

8. Выберите устройство Devices and Interfaces»NI-DAQmx Device»NI-DAQmx SCXI Chassis»SCXI-1000 и нажмите кнопку Finish.

9. Выберите модульный слот SCXI, который будет взаимодействовать с УСД. В нашем случае первый модуль, SCXI-1520, имеющий кабельный адаптер SCXI-1349, присоединенный к его задней панели, будет взаимодействовать с УСД. Выберите 1 из выпадающего меню Communicating SCXI Module Slot.

10. В диалоговом окне Create New SCXI Chassis, установите для Chassis Address значение 0. Поставьте отметку в поле Auto-Detect Modules in Chassis и нажмите кнопку Save.

11. Должно появиться диалоговое окно SCXI Chassis Configuration, как показано на следующем рисунке.

Примечание. SCXI-1180 – это панель сквозного соединения, которая не будет обнаружена в качестве модуля. В диалоговом окне SCXI Chassis Configuration ее слот будет показан пустым.

a. Для модуля SCXI-1125 выберите SCXI-1327 из выпадающего меню Accessory.

b. Для модуля SCXI-1141, выберите SCXI-1304 из выпадающего меню Accessory.

c. Нажмите кнопку OK для выхода из диалогового окна.

12. Зайдите в раздел Devices and Interfaces, затем в NI-DAQmx Devices, чтобы увидеть SCXI-1000: “SC1”. После этого щелкните дважды на опции SCXI-1000: “SC1”, чтобы увидеть список установленных модулей.

13. Щелкните правой кнопкой мыши на опции SCXI-1000: “SC1” и выберите Test из контекстного меню. Нажмите кнопку OK. Если шасси не прошло контрольной проверки, скажите об этом инструктору.

14. Посмотрите для каждого из модулей вкладку Attributes, отображающую информацию о свойствах модуля, которые вы настроили в диалоговом окне SCXI Chassis Configuration.

15. Выйдете из MAX.

Конец упражнения 5-1

C. Основные функции согласования

Кроме манипулирования со специфическими измерительными преобразователями устройства согласования сигналов могут выполнять широкий набор универсальных функций согласования для улучшения качества, гибкости и надежности измерительной системы.

Усиление сигнала

Поскольку реальные сигналы часто имеют чрезвычайно маленькую амплитуду, согласование сигнала может увеличить точность принимаемых данных. Усилители увеличивают уровень входного сигнала для лучшего соответствия рабочему диапазону АЦП, что позволяет увеличить разрешающую способность и чувствительность измерения. Хотя большинство УСД содержат усилители, многие измерительные преобразователи, такие как термопары, требуют дополнительного усиления.

Многие измерительные преобразователи генерируют напряжение в диапазоне нескольких милливольт или даже микровольт. Усиление этих слабых сигналов непосредственно УСД приводит к усилению и шумов (помех), наведенных на сигнальные провода. Когда сигнал очень слаб, то даже небольшого шума достаточно для полного заглушения сигнала, что приведет к неправильным данным. Самый простой способ увеличить отношение сигнал-шум заключается в усилении сигнала как можно ближе к его источнику. Это поднимет уровень сигнала выше уровня шума до того, как наведенный шум сможет безнадежно испортить сигнал. Например, следующая иллюстрация показывает сигнал термопары J типа, который меняется с шагом 50 мкВ/°C.

Предположим, что подводящие провода термопары, соединяющие ее с УСД, имеют длину 10 м и проложены в среде со сложной шумовой обстановкой. Если источник шума в окружающей обстановке наводит 200 мкВ на подводящие провода термопары, то мы получим при измерении температуры дополнительные 4 °C из-за шума. Усиление сигнала в непосредственной близости от термопары перед воздействием шума уменьшит влияние последнего на конечный результат измерения. Если мы усилим сигнал в 500 раз вблизи термопары, это приведет у шагу сигнала примерно 25 мВ/°C. Если усиленный сигнал будет передаваться во 10 метровым проводам, то наведенный шум амплитудой 200 мкВ значительно меньше повлияет на результат измерения, добавляя лишь 0.03 °C.

Упражнение 5-2. Настройка усиления

Задача: Настроить коэффициент усиления (КУ) в каналах 0 и 1 модуля SCXI-1125 и наблюдать различие настроек КУ на развертке осциллограмм в LabVIEW.

Предупреждение. Модули SCXI нельзя переставлять при включенном шасси. Перед удалением или добавлением модулей, терминальных узлов или кабелей убедитесь, что шасси обесточено.

1. Запустите MAX и раскройте раздел Devices and Interfaces»NI-DAQmx Devices»SCXI-1000: “SC1”.

2. Щелкните правой кнопкой на опции 3: SCXI-1125: “SC1Mod3” и выберите Properties из контекстного меню. Нажмите кнопку Configure. Выберите вкладку Gain Configuration и настройте каналы 0 и 1 следующим образом:

• Channel: 0 Attenuation: 1.00

• Channel: 1 Attenuation: 1.00

3. Нажмите дважды кнопку OK для выхода из диалогового окна Details: SCXI-1125 SC1Mod3.

Присоединение термопары к каналам 0 и 1 терминального узла SCXI-1327

Предупреждение. Перед тем как продолжить выполнение убедитесь, что терминальный узел SCXI-1327 не присоединен к модулю SCXI-1125. Если же присоединен, то сначала выключите питание шасси, затем отделите SCXI-1327, отвернув верхний и нижний винты, которыми узел крепится к SCXI-1125.

4. Снимите защитную крышку терминального узла SCXI-1327. Изучите следующую схему и найдите соответствующие компоненты SCXI-1327.

5. Найдите переключатели, используемые для шунтирования схемы ослабления сигнала в каналах CH 0 (S1 и S2) и CH 1 (S3 и S4). Убедитесь, что все они установлены в состояние 1:1, как показано на следующем рисунке.

6. Используя термопару, выполните подсоединения, как показано на следующем рисунке.

Примечание. Используйте провода, сделанные из того металла, что и термопара. Белый провод изготовлен из железа, красный – из константана. Попросите инструктора проверить правильность использования проводов.

a. Присоедините белый провод от термопары к контакту CH 0+, а другой – к CH 0–.

b. Возьмите по небольшому образцу каждого из проводов, которые вы использовали для создания термопары, и присоедините их к CH 0 в соответствии с указаниями:

– Присоедините белый провод к положительному (+) зажимному контакту канала CH 0 и заверните до упора. Убедитесь, что и провод и термопара прочно удерживаются контактом.

– Присоедините красный провод к отрицательному (–) зажимному контакту канала CH 0 и заверните винт до упора. Убедитесь, что и провод и термопара прочно удерживаются контактом.

c. Присоедините белый провод к CH 1+.

d. Присоедините красный провод к CH 1–.

e. Верните крышку SCXI-1327 на место и закрепите ее, завернув винты.

f. Присоедините SCXI-1327 к лицевой панели модуля SCXI-1125, завернув верхний и нижний винты.

g. Включите шасси.

7. Возвратитесь в MAX и щелкните правой кнопкой мыши на опции NI-DAQmx Global Channels в разделе Data Neighborhood. Выберите Create New NI-DAQmx Channel из контекстного меню. Произведите следующие настройки первого канала:

• Measurement Type: Analog Input

• Sensor Type: Voltage. В данном упражнении термопара рассматривается как источник очень слабого напряжения, а не как преобразователь температуры. Специальный канал для термопары вы создадите позже.

• Physical Channel: SC1Mod3/ai0

• Name: Temperature1

Произведите следующие настройки для второго канала:

• Measurement Type: Analog Input

• Sensor Type: Voltage

• Physical Channel: SC1Mod3/ai1

• Name: Temperature2

8. Вызовите контекстное меню раздела Data Neighborhood и выберите в нем Create New»NI-DAQmx Task. Произведите следующие настройки:

• Measurement Type: Analog Input

• Sensor Type: Voltage

• Channels: Выберите опцию Add Existing DAQmx Global Channels и далее выберите Temperature1 и Temperature2.

• Name: SmallVoltageTask

9. В диалоговом окне Analog Input Voltage Task Configuration настройте задачу на непрерывный сбор данных.

10. Нажмите кнопку Start.

11. Используйте палец или стакан холодной воды для проверки термопары и определения адекватности изменений напряжения. Если никаких изменений не происходит или появилось сообщение об ошибке, сообщите об этом инструктору.

12. Нажмите кнопку Stop.

13. Нажмите кнопку OK для выхода из панели тестирования.

14. Нажмите кнопку Save Task.

15. Выйдете из MAX. Сохраните все несохраненные до этого каналы NI-DAQmx.